本期《海诚大讲堂》为中国海诚广州公司在《工程质量》期刊刊发的专题文章——《数字化技术在工程建设中的应用与探讨》。
本文主要阐述数字化技术在工程建设设计、施工、运维全过程中的初步实践，并对数字化技术对促进建设工程产业链整合的重要意义以及数字化技术推广发展中面临的思维意识、应用生态、协调融合、软件支撑、设计行业数字化转型等系列问题进行了思考探究，可为工程建设领域更好理解、应用及推广数字化技术提供参考。
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EIM技术是工程建设数字化的基础
EIM即工程信息模型，是建设项目所有信息在物理和功能特征方面的数字化承载及视觉性表达。建筑企业向数字化转型，不仅仅是从线下到线上，而是根据环境和基础设施的变化，对业务（流程、场景、关系、员工）进行重新定义，通过内部完成全面在线、外部适应各种变化，最终创造价值，而EIM技术的各项应用集成可在项目全过程中实现数据信息的串联互通，从而使建设行业的工业化生产、智慧建造、智慧工程的实现成为可能。
目前广州公司承担的各类业务已有近40%实现EIM正向设计，其中总包项目基本达到100%；设计深度达到国家《制造工业工程设计信息模型应用标准》规定的几何图形等级GL400、属性信息等级DL400，一些工程对象单元的部分专业可达到GL500或DL500等级；应用范围已覆盖方案、设计、采购、施工、运维等各阶段。
02
数字化技术在工程建设中的应用
2.1 设计阶段
数字化设计是工程建设数字化应用的源头，为工程建设后续各阶段应用提供基础模型数据。目前数字化技术在设计阶段的应用主要包括无人机测量、EIM设计、数值模拟等。
2.1.1 方案设计阶段
地形数据是方案设计、EIM设计、土方平衡及工程量计算的关键基础资料，常规方法是通过向规划部门申请或传统人工测量获得，但此类方法往往在数据的时效性、准确性、精度方面难以满足实际需求，同时传统测量还存在测区条件不确定性多甚至复杂危险、难度大、周期长等不利情况。
使用无人机搭载测绘相机测量则可彻底解决上述问题，精准、高效获得地形数据资料。在多个项目的地形测绘中，广州公司均采用了无人机测量，图1为采用无人机测量获取的某铁矿整治工程等高线图。无人机三维扫描系统包含高精度惯导激光雷达、高分辨率倾斜摄影相机模块，通过激光扫描和倾斜摄影获得测区的高精度航测数据，使用专业软件对航测数据处理重建后，可生成点云模型、倾斜模型、数字正射影像图，再通过测图软件即可生成数字高程模型、数字表面模型、数字划线地图、等高线地形图等地形数据。倾斜模型和等高线地形图还可在专业软件中进行土方量计算，如图2所示。
图1 某铁矿整治工程等高线图
图2 某环保能源项目土方量计算
2.1.2 EIM正向设计
EIM正向设计是以BIM模型为出发点和数据源，完成从方案设计到施工图设计的全过程任务，设计全过程实现图模一致。
EIM设计的可视化，较常规二维设计有着不可比拟的优势。EIM设计不仅能直观地观察建筑立面外观，还可随时检查工程整体和局部、室内和室外、建筑和设备管线的相互关系及影响。EIM设计的可视化，贯穿设计、协同、校审、沟通全过程。通过EIM模型即可将工程全体信息立体地展示在各方眼前，提升沟通效率和质量。图3、图4为某垃圾发电厂项目可视化检查截图，图5为主厂房EIM透视图。
图3 EIM可视化检查
图4 碰撞检查
图5 某垃圾发电厂项目主厂房EIM透视图
在EIM设计过程中，建筑、结构、机电、工艺等专业工程师可以在同一平台文件上协同设计，实时直观地查看其他设计师的进度及成果，有利于专业间沟通协调，及时解决设计过程中遇到的问题和冲突。特别是空间紧凑、管线复杂、协同专业多的情况下，综合优化管线，彻底解决碰撞等痛点问题。图6为某项目管线综合设计模型，图7为EIM多专业协同设计示意图。
图6 某项目管线综合设计模型
图7 EIM多专业协同设计示意图
EIM设计经过可视化沟通、方案确认、多专业三维协同、设计分析优化及质量校审后，从模型中即可直接生成工程图纸、材料表、设备表等设计产品，模型深度足够时，可快速准确导出工程量，免去传统设计中的提资、重新建模等工作。在输出过程中，各专业可根据范围、区域、系统等要求快速定制设计产品，任意区域、高度的平面图均可生成，并可从图面上的标注自动提取生成构件信息，实现图面信息与图元联动，大幅降低工程师工作强度，提高设计效率和计算精度。出图过程还可借助二次开发的插件来提升效率。图8、图9为由EIM模型生成平面、立面及工艺管线的过程示意图。
图8 EIM生成图档
图9 EIM自动生成工艺管线图
2.1.3 数值模拟
EIM模型可一模多用，通过专业软件对建筑的各种性能进行数值模拟分析。目前主要的应用包括：风环境模拟、自然风模拟、热环境模拟、环境噪声模拟、绿化环境分析、建筑照明分析、日照分析、日光分析、节能设计及方案优化等。数值模拟把复杂的问题经济快速直观地予以解决，并提供全方位、多角度的优化结果，极大方便了各方比较决策，同时模型共享节约了大量重复建模时间，提升了设计效率。模拟分析可在本地计算机完成，也可通过软件供应商提供的云计算方式来远程完成。图10为某小学体育馆室外风环境数值分析截图。
图10 风环境分析
2.1.4 云服务
数字化企业，利用云平台及轻量化的EIM模型即可轻松实现：各参与方可以云端办公，设计人员可随时随地在云端调取模型进行设计，业主方可随时在云端查看设计效果，实时与设计师互动，真正实现突破时间地理限制的协同，同时也进一步提升了设计效率和质量。多个项目应用情况表明，协同设计后变更单的数量大幅降低，部分项目减少80%以上。图11为某项目在公有云上实现二三维联动校审。
图11 云上二三维联动校审
2.2 施工阶段
数字化技术在施工阶段是数据采集、数字模型的完善阶段，在工程进度、质量、成本、安全管控方面可用来直观、经济、高效地控制建设风险，是数字化应用的重要收益阶段之一；也是与设计企业相比，数字化技术尤其EIM技术在部分施工企业、特别是装配式建筑施工企业获得更快更良性发展的原因之一。
目前数字化技术在施工阶段的应用主要包括EIM技术的延伸拓展、无人机技术、物联网技术等，场景及特点如下：
采用EIM模型与设计图纸相结合的方式进行施工交底，利用模型直观通透、三维可视、信息全面完整的特点，大幅提升施工交底的效率和质量。
将部分重要EIM设计成果（如节点）轻量化处理后，转化为二维码，能随时了解设计方案、掌握施工信息，也便于及时发现施工错漏、检查追溯。平面图纸到EIM立体模型的升级，解决了“读”图纸不透的难题，复杂节点也变得直观易明。
将EIM模型与进度计划关联，通过可视化4D模拟，验证施工工序、进度计划的合理可控性，同时找出施工过程中的关键路径和关键节点，优化进度控制。此外还可以将安全巡查和质量巡检记录与EIM模型对接，可视化展示安全、质量问题的位置分布、具体信息，并发送给现场管理人员及时处置。图12为采用EIM 4D模拟某项目某时刻的工程量。图13为某项目移动端质量安全隐患跟踪闭环截图。
利用EIM模型对施工工法进行模拟，快速识别优化工法，同时将工序模拟动画作为交底材料，提供给作业人员事前熟悉施工工序、操作要领。图14为某发电厂项目钢架、汽包吊装方案模拟。
施工过程中，通过无人机按时间节点采集现场数据，并结合EIM模型来校正或调整原有施工计划、方案，精准管理。对于有毒环境、高空作业、高边坡等危险地点，利用无人机代替施工人员进行全方位近距离观察、数据采集和施工监测。
针对攀高翻越、区域入侵、反光服与安全帽穿戴等人员行为安全，塔吊运行等设备安全，以及工作环境安全等安全管理方面，借助物联网技术，建立视频监控、塔吊监控、深基坑监测、高支模监测等系统，实现对现场实时数据的远程监控、预警和通告，提升安全管理能力。
利用物联网设备，如智慧门禁、车辆识别系统、环境监测与除尘一体化系统等，进行人员、物料和绿色施工管理，提升管理效能。
图12 EIM 4D进度模拟工程量
图13 移动跟跟踪闭环
图14 某发电厂项目钢架、汽包吊装方案模拟
2.3 运维阶段（使用阶段）
在工程建设阶段生成并完善，承载有设计、施工等诸多信息的EIM数字化成果，在运维阶段与运维信息库、运维平台对接联通，通过现场数据信息收集处理，即可实现对工程对象的实时监控、运维管理。
图15为某大型垃圾发电厂项目运维阶段应用场景：EIM模型经轻量化处理，接入现场采集的数据信息，自动呈现实时设备参数和工艺运行状态，在控制中心实现即时、高效、全面、直观的巡检。接入运行数据智慧运维平台，实时监控系统运行状态。这些应用较传统的巡检和处置方式，无论效率和效果方面，都有质的提升。
图15 某大型垃圾发电厂项目数字孪生场景
但总体来说，目前国内运维阶段的数字化技术综合应用案例还不多，尚处于初级阶段。
03
数字化技术在工程建设推广应用中的探讨
3.1 数字化技术对促进建设工程产业链
整合的意义
长期以来，无论是工程建设行业，还是其他行业，传统企业的信息成本、沟通成本都是制约其发展的重要因素，是提升生产效率过程中的瓶颈问题。随着数字化技术（包括物联网）的推广应用，信息高速公路的潜能将充分释放，由此给传统企业带来一场数字化的技术革命。
（1）数字化技术使工程建设领域的科研、设计、生产加工、施工装配、运营等全产业链可同时共享信息，极大地提升产业链效率，消减沟通（中间）成本，使产业链的各环节均可享受到数字经济带来的红利，从而提升整体效益，有效驱动产业链的融合一体。
（2）对监管部门而言，数字化云协同使业务数据集中化、过程数据规范化，有利于监控工作开展。
（3）对业主而言，将设计EIM、施工EIM、运维EIM进行有效衔接，实现工程全生命周期一体化的工作模式，减少了管理协调工作量，加快了建造进度，节省了设计变更等造成的成本，省心、省费、省时。
（4）对工程承包方而言，设计与施工无缝衔接，协同工作，问题反馈处置迅速，提高了工作的效率和时效性；设计施工相互交流促进，有助整体提升建筑从业人员的综合能力素养。
（5）从技术可实施层面上看，数字化云协同提供了整套解决方案。数字化云协同融合EIM、云计算、大数据、移动互联网、人工智能等新技术，通过“数字建筑”多用户共享数据和功能定制，实现多方参与、在线互动和协作。
数字化云协同在建筑工程产业链的整合上发挥着巨大作用，承载着企业发展趋势，助推企业数字化转型升级。也正是数字化技术的不断发展，传统的“组织指挥”为主的生产管理模式将转向以“数据驱动”为主的管理模式，传统设计、采购、施工、运维各个环节相分离的建设模式将被彻底改变，全产业链的整合成为必然。
3.2 数字化技术推进中遇到的问题
以EIM作为起点标志的工程建设领域数字化技术应用，至今已十多年，发展日新月异，但也面临着诸多困难和挑战，常遇到的有：
（1）“数字化”思维意识仍然缺乏。
（2）目前阶段，数字化技术推广的核心难题是数字价值尚无法在工程建设全生命周期中充分体现，亟需开启和培育数字技术在运维阶段的应用生态。
（3）数字化推广存在跨部门、跨企业、跨领域协调融合难的问题，建设工程割裂的生产组织方式不利于数字化生态的培育和成长。
（4）数字化技术难以采用标准化模板，需要与企业实际业务融合。
（5）设计单位的出路，在于借助数字化技术转型升级，为业主提供更长周期的服务。
04
结语
企业的数字化转型，任重道远，这是一场技术革命，其涉及面之广、难度之大、时间之长均不可小视，以EIM为基础的数字化技术，在多个项目中的应用实践证实了数字化的价值和发展潜力，传统企业的低效运营管理模式难以与“数字化企业”竞争，不转型将难以生存。
将数字化技术应用于建设领域，提升行业整体“数字化”思维意识，通过头部企业的标杆示范、以点带面效应来积极培育数字技术在运维阶段的应用生态，引导和加强软件平台开发方及产业链上下游企业之间的数字化融合，推动EPC总承包、全过程咨询业务，促进建筑产业由碎片化、粗放型、劳动密集型生产方式向集成化、精细化、技术密集型生产方式转型，既是建筑企业应对变革的内在要求，也是建筑业实现高质量发展的必由之路。
供稿 | 广州公司
*经作者授权，已作相应修改。
